智能燒爐技術(shù)在軋鋼加熱爐上的應(yīng)用

劉志軍，安韶華，李立君

（1 天津市新天鋼聯(lián)合特鋼有限公司，天津 301500；2 河北科技工程職業(yè)技術(shù)大學(xué)，河北邢臺(tái) 054000）

1 前 言

天津市新天鋼聯(lián)合特鋼有限公司（簡(jiǎn)稱聯(lián)合特鋼）帶鋼廠三、四車間為兩條650 mm熱軋帶鋼生產(chǎn)線，各配有加熱爐1座。加熱爐采用步進(jìn)梁蓄熱式，坯料側(cè)進(jìn)側(cè)出，所用燃料為高爐、轉(zhuǎn)爐混合煤氣。加熱爐采用西門子PLC控制系統(tǒng)，一級(jí)控制系統(tǒng)由儀表、電氣控制系統(tǒng)組成的自動(dòng)化升級(jí)，PLC采用S7-400系列，以太網(wǎng)通訊。加熱爐沒有使用智能燃燒控制系統(tǒng)，采用人工手動(dòng)燒爐操作。帶鋼三、四車間加熱爐在煤氣壓力、熱值頻繁變化、軋速波動(dòng)情況下，煤氣單耗、氧化燒損都對(duì)節(jié)能降耗帶來巨大浪費(fèi)。為了進(jìn)一步節(jié)能降耗，降低產(chǎn)品成本和提升產(chǎn)品質(zhì)量，兩座蓄熱式加熱爐采用智能燃燒技術(shù)，解決了加熱爐煤氣消耗高、氧化燒損大的問題。

2 加熱爐燃燒方式目前存在的問題

燃燒效率有優(yōu)化空間，可進(jìn)一步降低煤氣消耗；爐內(nèi)氣氛、溫度制度有優(yōu)化空間，可進(jìn)一步降低鋼坯氧化燒損；加熱質(zhì)量有優(yōu)化空間，可以降低脫碳層的厚度；燃料、助燃空氣量略多，可進(jìn)一步降低煙氣硫化物、氮氧化物、煙塵排放；出鋼溫度有優(yōu)化空間，可進(jìn)一步提高鋼坯的加熱質(zhì)量；裝置運(yùn)行工況有優(yōu)化空間，可進(jìn)一步降低設(shè)備故障率和維護(hù)成本；系統(tǒng)運(yùn)行的一些環(huán)節(jié)沒有投入全自動(dòng)化運(yùn)行，靠工人手動(dòng)調(diào)節(jié)，工作強(qiáng)度大，容易引起工藝參數(shù)的進(jìn)一步不穩(wěn)定，導(dǎo)致能耗和氧化燒損的升高。

3 智能燒爐技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用

3.1 加熱爐智能燃燒原理

加熱爐智能燃燒是根據(jù)實(shí)時(shí)精準(zhǔn)的加熱爐爐膛爐壁溫度和鋼坯表面溫度等，可快速調(diào)整燃料供給量及空燃比、加熱節(jié)奏等工藝參數(shù)，優(yōu)化能源消耗指標(biāo)。

加熱爐智能控制系統(tǒng)借助各種軟件來發(fā)揮出計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)智能化控制。智能燃燒控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)選擇控制規(guī)律、確定工作參數(shù)、修正設(shè)定參數(shù)等。結(jié)合一級(jí)二級(jí)控制系統(tǒng)，組建智能燃燒服務(wù)器系統(tǒng)，安裝熱值儀、激光氧分析儀等硬件設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的智能燒爐技術(shù)。

3.2 加熱爐簡(jiǎn)介及智能燃燒工藝

帶鋼廠三、四車間采用的是步進(jìn)梁式雙蓄熱加熱爐，兩座加熱爐于2018年10月先后正式投用，以熱值為860～1 000 kJ/m3的高爐和轉(zhuǎn)爐混合煤氣為燃料，采用常規(guī)燃燒技術(shù)。

3.3 加熱爐智能燃燒控制方案設(shè)計(jì)和實(shí)施

（1）在每座加熱爐控制室增加1 套Ention 智能燃燒系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)加熱爐節(jié)能燃燒，減少氧化燒損。加熱爐Ention智能燃燒系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1所示。其中“智能燒爐服務(wù)器”是核心組件，它需要與加熱爐一級(jí)系統(tǒng)（PLC）、二級(jí)系統(tǒng)（Ention系統(tǒng)的二級(jí)管理服務(wù)器）、三級(jí)系統(tǒng)（鋼坯生產(chǎn)管理MES系統(tǒng)，或手動(dòng)輸入入爐鋼坯信息）、軋線二級(jí)系統(tǒng)（獲取粗軋出口溫度等信息）協(xié)同配合。

圖1 智能燒爐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（2）Ention 智能燒爐服務(wù)器以O(shè)PC 協(xié)議與加熱爐PLC實(shí)現(xiàn)讀寫雙向通信，如圖2所示。

圖2 OPC雙向通信示意圖

其中1臺(tái)“智能燒爐服務(wù)器”是核心組件，它以O(shè)PC協(xié)議與加熱爐PLC實(shí)現(xiàn)讀寫雙向通信。這樣，Ention 系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)讀取加熱爐的爐溫、爐壓、排煙溫度、流量等信息，并將閥位控制信號(hào)寫回PLC，實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱爐的實(shí)時(shí)控制。另外1臺(tái)“操作員站”，用于加熱爐操作員與智能燒爐系統(tǒng)的界面交互。

以上智能燒爐服務(wù)器和操作員站（配備1個(gè)機(jī)柜）放置在控制室，通過220 V AC 電源供電。其顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)將并列放在原有操作電腦屏幕旁。這樣操作員可以實(shí)現(xiàn)與智能燒爐系統(tǒng)的交互。

3.4 Ention系統(tǒng)功能

功能1，爐溫及出鋼溫度控制。Ention 系統(tǒng)基于鋼坯溫度場(chǎng)模型，結(jié)合軋制速度計(jì)算各加熱段所需爐溫，針對(duì)不同規(guī)格的鋼坯設(shè)定不同的目標(biāo)出鋼溫度，從而保證各種規(guī)格的鋼坯在出爐時(shí)能達(dá)到最佳出鋼溫度。Ention系統(tǒng)采用廣義預(yù)測(cè)控制（GPC）算法，克服煤氣壓力、熱值的波動(dòng)，調(diào)節(jié)煤氣、助燃空氣流量，快速準(zhǔn)確地達(dá)到設(shè)定爐溫。

功能2，爐內(nèi)氣氛控制。Ention 系統(tǒng)通過空燃比自尋優(yōu)算法，根據(jù)煤氣流量動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)助燃風(fēng)流量，在一定加熱負(fù)荷條件下統(tǒng)計(jì)爐膛溫度變化率，據(jù)此保持最佳空燃比。也就是說，Ention 并不是必須爐氣氧量分析儀，而是只看爐膛溫度信號(hào)，簡(jiǎn)化了氣氛參數(shù)的測(cè)量，提高了系統(tǒng)的可靠性。Ention自尋優(yōu)算法也不依賴于煤氣、空氣流量計(jì)的準(zhǔn)確度，最多只要求流量計(jì)“趨勢(shì)正確”。由于煤氣熱值的變化、壓力變化、爐子本身結(jié)構(gòu)特性、燒嘴老化等都會(huì)影響最佳空燃比的大小，而自尋優(yōu)控制可克服上述干擾，使系統(tǒng)始終在最佳的空燃比下工作。由于本項(xiàng)目加熱爐采用了高爐+轉(zhuǎn)爐混合煤氣，熱值波動(dòng)大，為了實(shí)現(xiàn)快速、精準(zhǔn)的氣氛控制，在每個(gè)加熱段安裝O2煙氣分析儀，實(shí)時(shí)測(cè)量各加熱段的空氣過剩系數(shù)。Ention 系統(tǒng)參考（但不是必須）這些參數(shù)，用于優(yōu)化氣氛調(diào)節(jié)回路。

功能3，爐壓/排煙溫度控制。Ention 系統(tǒng)可以有效應(yīng)對(duì)超負(fù)荷軋鋼或爐役后期（蓄熱體能力下降）的工況。在這種工況下，爐壓與排煙溫度是一對(duì)矛盾。Ention 根據(jù)加熱負(fù)荷的變化，結(jié)合蓄熱體的蓄熱模型，找到爐壓與排煙溫度的最佳平衡點(diǎn)，從而使加熱爐熱效率達(dá)到最佳。

功能4，待軋優(yōu)化控制。當(dāng)軋線處于待軋狀態(tài)時(shí)，Ention 系統(tǒng)針對(duì)每種規(guī)格的鋼坯，建立一個(gè)專家系統(tǒng)，在不同預(yù)期待軋時(shí)間條件下，設(shè)定每個(gè)加熱段最佳的降溫幅度、開軋?zhí)崆吧郎貢r(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)待軋溫度控制優(yōu)化。

功能5，助燃空氣總管壓力控制。為了防止“憋風(fēng)機(jī)”，Ention 系統(tǒng)通過助燃空氣總管上壓力變送器來獲得助燃空氣壓力，然后將此信號(hào)傳送給風(fēng)機(jī)變頻器控制輸出頻率，其輸出頻率減小，以穩(wěn)定助燃空氣總管壓力。

3.5 應(yīng)用效果

聯(lián)合特鋼加熱爐智能燃燒系統(tǒng)于2022 年4 月和6月相繼投入應(yīng)用。運(yùn)行1 a以來，兩座加熱爐一直處于穩(wěn)定的狀態(tài)，系統(tǒng)運(yùn)行未出現(xiàn)任何故障。在爐內(nèi)氣氛控制方面，煙氣殘氧量從原來的3%～9%降低到約2%左右，可見Ention的實(shí)際應(yīng)用效果。

與原有手動(dòng)調(diào)節(jié)相比，Ention 系統(tǒng)可以達(dá)到較好的控制效果。Ention 爐溫控制效果看出（見圖3）：其中前半段為原有手動(dòng)控制，后半段為Ention自動(dòng)控制，可以看到在穩(wěn)態(tài)時(shí)爐溫更加穩(wěn)定，可達(dá)±5 ℃以內(nèi)。

圖3 爐溫歷史數(shù)據(jù)曲線

通過智能燒爐系統(tǒng)投運(yùn)1 a來的兩座加熱爐運(yùn)行數(shù)據(jù)，與改造前手動(dòng)燒爐數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，在相同生產(chǎn)工況下，噸鋼煤氣（高爐+轉(zhuǎn)爐）消耗降低6%。改造前平均煤氣單耗約220 m3/t，改造后平均煤氣單耗約206 m3/t，噸鋼節(jié)約煤氣量約14 m3，氧化燒損平均降低約7%，節(jié)能降耗效果明顯。

4 結(jié) 語

天津市新天鋼聯(lián)合特鋼公司帶鋼廠三、四車間兩條650 熱軋帶鋼生產(chǎn)線加熱爐智能燒爐技術(shù)的應(yīng)用，解決了熱軋帶鋼加熱爐煤氣單耗和氧化燒損高的問題，每年帶鋼三、四線加熱爐可創(chuàng)效約1 950萬，有效降低了熱軋帶鋼生產(chǎn)成本，提高了智能化控制水平。